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【导语】海洋观测作为认识与利用海洋的基础，对于我国海洋强国战略的实施至关重要。近期，中国科学院海洋研究所牵头研发的海气交互关键层大剖面综合同步观测浮标系统，在南海3500米水深成功布放，标志着我国在深海观测技术领域取得重大突破。该系统不仅填补了国内外在大水深、大剖面观测技术领域的空白，还将为我国海洋环境监测、灾害预警及资源开发提供强有力的技术支撑。未来，这一技术有望成为全球海洋观测网络的重要组成部分，推动我国海洋观测技术迈向世界领先行列。
出品：
作者：王旭 刘长华 王(wáng)敏(mǐn) 贾(jiǎ)思(sī)洋 王春晓（中国科学院海洋研究所）
监制：中国科普博览
海洋是人类生存发展的新疆域，也是各国竞相角逐的制高点。海洋观测作为认识海洋、经略海洋的基础，其技术发展对于提升海洋环境监测能力、强化灾害预警预报水平、增强海洋资源开发能力、促进海洋(yáng)经(jīng)济(jì)发(fā)展(zhǎn)至(zhì)关重(zhòng)要(yào)，是(shì)我(wǒ)国(guó)顺(shùn)利(lì)实(shí)施(shī)海(hǎi)洋(yáng)强(qiáng)国(guó)战(zhàn)略(è)的(de)重(zhòng)要(yào)保(bǎo)障(zhàng)。当(dāng)前(qián)，我(wǒ)国(guó)海(hǎi)洋(yáng)观(guān)测(cè)技(jì)术(shù)领(lǐng)域的(de)主攻(gōng)方(fāng)向(xiàng)包(bāo)括(kuò)：把(bǎ)握(wò)国(guó)际(jì)海(hǎi)洋(yáng)科(kē)技(jì)前(qián)沿(yán)，建(jiàn)设(shè)全球(qiú)海(hǎi)洋(yáng)立体观测网和国家近海业务化精准观测系统，自主研制海洋环境监测探测技术与核心装备。
2025年6月，我国研发的海气交互关键层大剖面综合同步观测浮标系统(tǒng)，成(chéng)功(gōng)在(zài)南(nán)海(hǎi)3500米(mǐ)水(shuǐ)深(shēn)完(wán)成(chéng)布(bù)放(fàng)，将(jiāng)开(kāi)展(zhǎn)面(miàn)向(xiàng)复(fù)杂(zá)海(hǎi)洋(yáng)动(dòng)力(lì)环(huán)境(jìng)及(jí)高(gāo)海(hǎi)况(kuàng)背(bèi)景(jǐng)下(xià)的(de)南(nán)海海气通量和海洋—气象水文生态要素长期观测和综合同步数据获取。该项目是由我们所（中国科学院海洋研究所）牵头，联合了多家单位，历时近三年研发完成。
布放现场
（图片来源：中国科学院海洋研究所海洋观测网络管理中心）
该浮标系统的成功布放开创了国内外在超3500米水深布放大剖面观测浮标系统的先例。目前，系统整体运行稳定，数据接收正常，将为深化对南海海气交互关键层的系统科学认知提供关键的技术和数据支撑，为我国防灾减灾、海洋环境安全保障保驾护航。
攻克技术瓶颈，实现海洋观测技术跨越式发展
深海（尤其3500米以上）长期同步观测技术曾是全球难题。深海锚泊浮标是实时获取深海大洋长期连续观测资料的主要手段之一，我国相关科研单位（主要以中国科学院海洋研究所和自然资源部第一海洋研究所为代表）经过多年努力，已在西太平洋和印度洋获得了大洋上层和海气界面长时间序列的实时连续观测资料，其技术已经达到国际同类浮标（美国ATLAS浮标、日本TRITON浮标）的先进水平。
然而，实现海洋大气剖面与水体剖面的大剖面综合同步观测，曾是国际海洋学界面临的重大技术挑战。海洋大气剖面观测包括二氧化碳、温度、湿度、风场等多种海洋参数的大范围快速精确测量；水体剖面观测包括1000米以浅的水体（水深不超过1000米的海水层）水文要素（水温、盐度、流向、流(liú)速(sù)）、生(shēng)态(tài)要(yào)素(sù)（溶(róng)解(jiě)氧(yǎng)、叶(yè)绿(lǜ)素(sù)）剖(pōu)面(miàn)的(de)连(lián)续(xù)观(guān)测(cè)。其(qí)难(nán)点(diǎn)在于小型化低功耗技术、大数据量传输技术及其稳定性。若能实现海洋大气-海气界面-水体大剖面多要素同步观测，将对我国海事活动保障、海洋能源开发、海洋防灾减灾预报等起到至关重要的作用。
此次首套超3500米水深浮标系统布放成功，填补了国内外在大水深、大剖面、大浮标观测技术领域的空白。我们团队创新设计了适用于深海高海况的高稳性浮标结构和锚系结构，开发了海洋量子激光雷达和海洋微波辐射计等多套先进的观测设备，实现了水上10千米、水下1千米的“大气-界面-水下”综合同步观测，有效推动了海洋观测技术跨越式发展。
技术突破解析
浮标体：“稳如泰山”的设计
我们团队设计研发了高稳性的浮标体，重点解决了浮标观测系统在高海况下的稳定性、可靠性和长期在位观测的能力，可适应风速超过60米/秒，最大波高20米的极端工作环境。
为此，我们建立了浮标-锚系耦合水动力分析模型，开展了初稳性、大倾角稳性、极限海况下的稳性衡准数以及谐摇幅值等参数的计算分析，并据此优化完善了大浮标体结构形式和设备布置方案。在深水锚系设计方面，通过搜集拟布放站位历年的风、浪、流等环境参数，建立有限元计算模型，并施加环境载荷，计算分析了深水系留缆的形态和受力情况，对关键部位和节点加密计算，最终研发出可靠的“耦合缆-系泊缆-锚链”锚系链接方案。此外，我们设计了倒S型松弛式锚系结构，使浮标可以安全可靠地布放于超3500米水深站位。
总之，浮标体作为观测系统的载体平台，其“稳如泰山”的结构设计为各观测模块发挥高精度观测性能提供了保障，是整套观测系统安全运行的“铠甲”。
标体结构示意图
（图片来源：自然资源部第一海洋研究所海洋与气候研究中心）
深海耦合锚系设计
（图片来源：自然资源部第一海洋研究所海洋与气候研究中心）
观测设备：海空一体同步
该浮标系统搭载了我们自主研发的两款海上大气剖面多参数遥感设备，包括用于探测大气剖面二氧化碳和风三维结构特征的海洋量子激光雷达，以及用于探测温度和湿度垂直剖面的多波段微波辐射计。其同类探测设备的陆用版本通常具有大型化、高耗能的特点，要将其搭载于海洋浮标上，需要解决其小型化、低功耗、模块化、易维护等技术难点。为此，我们团队进行了多年技术攻关，开展了多次海洋浮标模拟实验，包括安装测试、功耗测试、通信测试等，终于研发出了适用于海洋环境的海洋量子激光雷达和海洋微波辐射计。
海洋量子激光雷达同时综合应用差分吸收、铟镓砷量子探测、偏振探测和多普勒探测等多种先进探测技术，以及脉冲编码技术、多发多收技术和主动式光纤耦合修正方法等先进软件算法，提升了探测性能，实现了更远距离、更高精度的大气探测；对大气剖面二氧化碳的观测范围可达到0-1千米，浓度误差小于10ppm（百万分率），对风场探测的距离超过了3千米，风场距离分辨率小于30米，风速误差小于0.5米/秒，风向误差小于10度。
海洋微波辐射计以自主研制的地基微波辐射计为基础，通过特定材料选用、工艺设计、环控系统设计、软件算法开发等方法，解决了海上高温、高湿、高盐等恶劣环境下的设备持续稳定工作难题，并实现了复杂海况条件下的精确探测。该设备可以连续、可靠、稳定地探测海洋大气温湿垂直廓线，其探测范围可达10千米，探测层数为73层；对大气温度剖面探测误差为0.98K（开尔文）；相对湿度剖面探测误差为9.54%。
浮标系统同时对水下1000米以浅的水体水文要素（水温、盐度、流向、流速）、生态要素（溶解氧、叶绿素）剖面连续观测。突破了水下大深度剖面数据的可靠(kào)传(chuán)输(shū)技(jì)术(shù)，采用(yòng)感(gǎn)应(yīng)耦(ǒu)合(hé)传(chuán)输(shū)式(shì)高(gāo)精(jīng)度(dù)温(wēn)度(dù)、温(wēn)盐(yán)深(shēn)、溶(róng)解(jiě)氧(yǎng)仪(yí)、叶(yè)绿(lǜ)素(sù)仪(yí)等(děng)测(cè)量(liàng)仪(yí)，并(bìng)集成(chéng)中(zhōng)控(kòng)系(xì)统(tǒng)和(hé)声(shēng)学(xué)多(duō)普(pǔ)勒(lēi)海(hǎi)流(liú)剖(pōu)面(miàn)仪(yí)（ADCP）作(zuò)为(wèi)浮(fú)标(biāo)水(shuǐ)下(xià)观(guān)测(cè)系(xì)统(tǒng)的(de)观(guān)测(cè)设(shè)备(bèi)。此(cǐ)外(wài)，开(kāi)发(fā)了(le)超(chāo)高(gāo)分(fēn)子(zi)聚(jù)乙(yǐ)烯(xī)缆(lǎn)绳(shéng)结(jié)合(hé)包(bāo)塑(sù)缆(lǎn)形(xíng)成(chéng)新(xīn)型(xíng)耦(ǒu)合(hé)缆(lǎn)，实(shí)现(xiàn)了(le)水(shuǐ)体(tǐ)剖(pōu)面(miàn)各(gè)要(yào)素(sù)的(de)连(lián)续(xù)观(guān)测(cè)和(hé)实(shí)时(shí)传(chuán)输(shū)的(de)目(mù)标(biāo)。
浮(fú)标(biāo)系(xì)统(tǒng)通(tōng)过(guò)智(zhì)能(néng)数(shù)据(jù)采集与(yǔ)控制系统将大气(qì)剖(pōu)面(miàn)与(yǔ)水(shuǐ)体(tǐ)剖(pōu)面(miàn)同(tóng)步(bù)观(guān)测数据进行整合压缩，并统一回传至岸基，真正实现了“海空一体”的大剖面同步观测。
布放现场
（图片来源：中国科学院海洋研究所海洋观测网络管理中心）
能源供给：“超长待机”能力
众所周知，海洋观测浮标在海上的工作周期受限于能源供给。充足、合理的能源供给方案可以保证观测系统长周期稳定运行。我们团队聚焦大剖面浮标在海上运行时的能源供给问题，尤其在高海况下实施大气、海气通量以及水体观测的高能需求，开展了太阳能、风能、温差能和波浪能等多种能源供给方案设计，旨在研发适用于高海况下浮标平台的多种类型能源补给与控制系统，实现浮标大功率、长周期能源供给。
依托中国科学院海洋研究所黄、东海站现有浮标观测网收集浮标布放点的历史风、辐射度、波浪、温度数据，我们通过模拟仿真确立了供电系统各组件的最佳容量配置。同时针对蓄电池的特点，仿真演绎设计四段式充电策略（涓流充电、恒流充电、恒压充电、浮充电）提高电池的使用寿命。进一步，通过设计开关频率高、反馈环路带宽的稳压电路实现负载的快速动态响应。最后，我们在海上浮标进行了四种能源供给方式与蓄电池集成试验，确保各路理论设计的准确性。
基于以上研究(jiū)与(yǔ)设(shè)计(jì)，我(wǒ)们(men)最(zuì)终(zhōng)开(kāi)发(fā)出(chū)了(le)多(duō)种(zhǒng)能(néng)源(yuán)采集和(hé)优(yōu)化(huà)的(de)充(chōng)放(fàng)电(diàn)控(kòng)制(zhì)功(gōng)能(néng)，太(tài)阳(yáng)能(néng)、风(fēng)能(néng)、温差能和波浪能之间可智能切换，实现能源的优化配给，保证了浮标系统的超长待机。
布放现场
（图片来源：中国科学院海洋研究所海洋观测网络管理中心）
科学价值与应用
科研：开展深海南海海气交互研究，助力全球气候变化模型优化。
海洋观测浮标具有船基监测、岸基监测和卫星遥感等其他观测手段不可替代的重要作用，能够在不同时间尺度上、各种天气情况下、复杂海洋水体环境中连续获取海上资料，特别是能在台风、风暴潮、巨浪、强海流、大风等恶劣环境条件下，直接获取具有代表性和实时性的海洋环境过程资料。
值得一提的是，我们此次研发的浮标系统实现了多项技术突破，其突出特点包括：能够在特定海域长期连续观测、较强的复杂海洋环境适应性、观测数据准确度高、实现全自动化无人值守运行、兼顾大气-界面-水体观测等。
在(zài)这(zhè)些(xiē)优(yōu)势(shì)的(de)加(jiā)持(chí)下(xià)，我(wǒ)们(men)能对我国南海海域的气象、水温、水质等参数及特殊的海洋现象进行长期观测和实时精细化监测。有助于进一步阐明该海域海洋动力环境多时间尺度变化特征和机理，研究该海域海气相互作用、海洋动力过程、生物地球化学过程、生态动力过程之间的耦合作用，揭示海洋物质通量、初级生产力及生物资源变动之间的关系，发展各类海洋要素的预测模式等，进而填补我国对南海“看得清、查得明、报得准”的国家需求。
民生：提升台风预警、海洋污染监测精度。
南海是台风发生频率最高的海域之一，精准“把脉”台风动向是关乎民生的重要技术。该浮标系统获取的实时数据可同步到相关气象部门的预报模式中，为台风路径的准确预报和预警提供重要的校准、验证作用，有效提高对台风路径预报的准确性。该浮标系统所获取的水文参数数据将同步修正该海域水动力环境数值模式，对可能发生的海洋污染物的扩散和迁移轨迹进行更精准的数值模拟分析，预报污染物的可能影响范围，为相关海事部门相关决策提供有利的科学理论保障体系。
国际地位：标志我国深海观测技术迈入世界领先梯队。
该浮标系统融合了高稳性浮标体、传感器、能源系统、大数据量传输等多项关键技术，重点解决了高海况下的稳定性、可靠性和长期在位观测技术；建立了浮标-锚系耦合水动力分析模型，优化完善了大型浮标深海系留设计；研发了适用于高海况下的太阳能、风能、温差能、波浪能等复合型能源供给与综合管控系统，实现了浮标的大功率、长续航能源供给；开展了大型浮标智能数据采集与控制、数据质量实时在线控制、大数据量传输、主被动结合的浮标安防等系列关键技术研究，提升了海洋浮标的数据质量与安全防护能力；突破了海气(qì)通(tōng)量(liàng)、水(shuǐ)体(tǐ)剖(pōu)面(miàn)观测、空气二氧化碳观测等系列关键技术。该浮标系统的成功布放，标志着我国深海观测技术迈入世界领先梯队。
浮标运行情况
（图片来源：中国科学院海洋研究所海洋观测网络管理中心）
未来展望
该浮标观测技术现阶段实现了垂直剖面观测的技术突破，适用于全球范围的深海研究。在此背景下，以海气交互关键层大剖面综合同步观测浮标系统为代表的新型海洋观测技术，不仅可为我国深远海观测领域提供技术助力，更能成为实现“透明海洋”立体观测网的重要技术突破口，为构建高精度海洋环境监测体系提供重要支撑。
目前，国外发达国家在全球海洋关键海域建立了大规模的浮标监测(cè)网(wǎng)。随(suí)着(zhe)我(wǒ)国(guó)海(hǎi)洋(yáng)事(shì)业(yè)的(de)发(fā)展(zhǎn)，也(yě)必(bì)然(rán)面(miàn)临(lín)深(shēn)远(yuǎn)海(hǎi)综(zōng)合(hé)海(hǎi)洋(yáng)环(huán)境(jìng)网(wǎng)络(luò)化(huà)观(guān)测(cè)的(de)新(xīn)需(xū)求(qiú)，其(qí)中(zhōng)水(shuǐ)平(píng)方(fāng)向(xiàng)的(de)组(zǔ)网(wǎng)观(guān)测(cè)将(jiāng)成(chéng)为(wèi)下(xià)一(yī)阶(jiē)段(duàn)技(jì)术(shù)攻(gōng)关重(zhòng)点(diǎn)。
